Rechner der Zukunft 21.12.2022, 07:00 Uhr

So wird ein Quantencomputer stabiler und effizienter

Einer Forschergruppe des KIT ist es durch neue Materialzusammensetzungen gelungen, Quantencomputer stabiler zu machen. Das Ergebnis: Sie sollen dadurch noch effizienter arbeiten und zugleich weniger sensibel auf Materialdefekte reagieren.

Eine winzige Engstelle an besonderen Qubits wirkt wie eine Lupe

Qubits aus Gralmonium weisen eine Engstelle auf und die wirkt wie eine Lupe für mikroskopische Materialdefekte bei Quantencomputern.

Foto: Dennis Rieger, KIT

Ein Quantencomputer funktioniert zwar grundsätzlich ähnlich wie ein normaler Computer, aber eben deutlich schneller. Er kann also sehr viele Rechenaufgaben parallel lösen. Das funktioniert deshalb, weil Quantencomputer mit sogenannten Qubits arbeiten – im Gegensatz zu Bits bei herkömmlichen Rechnern. Qubits ist die Abkürzung für Quantenbits und beschreibt die kleinste Rechenarbeit von Quantencomputern. Diese schnellen Rechenmaschinen gelten als die Zukunft. Doch sie haben noch viele Schwachstellen.

Meilensteine für das Quantencomputing

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Tagueri AG-Firmenlogo
(Junior) Consultant Funktionale Sicherheit (m/w/d) Tagueri AG
Hamburg Zum Job 
Tagueri AG-Firmenlogo
Consultant Systems Engineering (m/w/d) Tagueri AG
Hamburg Zum Job 
Funkwerk AG-Firmenlogo
Techniker / Ingenieur im Engineering Vertrieb (m/w/d) Funkwerk AG
deutschlandweit Zum Job 
ITW Fastener Products GmbH-Firmenlogo
Technische:r Vertriebsingenieur:in für VW ITW Fastener Products GmbH
Creglingen-Münster Zum Job 
Framatome GmbH-Firmenlogo
Senior Project Quality & OPEX Manager (m/w/d) Framatome GmbH
Erlangen Zum Job 
Tagueri AG-Firmenlogo
Teamleitung im Bereich Diagnose (m/w/d) Tagueri AG
Hamburg Zum Job 
Rheinmetall Electronics GmbH-Firmenlogo
Elektronikentwickler (m/w/d) Rheinmetall Electronics GmbH
Rheinmetall Electronics GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Kältemittelverdichter (m/w/d) Rheinmetall Electronics GmbH
Forschungszentrum Jülich GmbH-Firmenlogo
Ingenieur für Gebäudeausrüstung / Versorgungstechnik (w/m/d) Forschungszentrum Jülich GmbH
Jülich bei Köln Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieure - Schwerpunkt konstruktiver Ingenieurbau für die Bauwerksprüfung nach DIN 1076 (m/w/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Hamburg Zum Job 
Riedel Bau-Firmenlogo
Energieberater / Auditor (m/w/d) Riedel Bau
Schweinfurt Zum Job 
Rheinmetall Electronics GmbH-Firmenlogo
Projektmanager technische Entwicklungsaktivitäten (m/w/d) Rheinmetall Electronics GmbH
Neckarsulm Zum Job 
Diehl Aerospace GmbH-Firmenlogo
Ingenieur / Entwicklungsingenieur (m/w/d) Avionik (System) Diehl Aerospace GmbH
Nürnberg, Überlingen, Frankfurt am Main, Rostock Zum Job 
Stadtwerke Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbH-Firmenlogo
Teamleitung Haltestellen und Stationen (d/m/w) Stadtwerke Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbH
Frankfurt am Main Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Elektro- / Kommunikationstechnik Die Autobahn GmbH des Bundes
Frankfurt am Main Zum Job 
RENOLIT SE-Firmenlogo
Ingenieur / Techniker (m/w/d) für Automatisierungstechnik RENOLIT SE
Frankenthal Zum Job 
Lahnpaper GmbH-Firmenlogo
Leitung Entwicklungslabor (m/w/d) Lahnpaper GmbH
Lahnstein Zum Job 
Energieversorgung Halle Netz GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur - Fernsteuerung Energienetze (m/w/d) Energieversorgung Halle Netz GmbH
Halle (Saale) Zum Job 
BREMER Hamburg GmbH-Firmenlogo
Bauleiter Schlüsselfertigbau (m/w/d) BREMER Hamburg GmbH
Hamburg Zum Job 
IPH Institut "Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik" GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Instandhaltung (m/w/d) IPH Institut "Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik" GmbH

Ein Forschungsteam des KIT hat sich mit einer dieser Schwachstellen beschäftigt. Qubits verarbeiten mehr Informationen in sehr kurzer Zeit. Der Grund: Es gibt nicht nur zwei Zustände „0“ und „1“, sondern auch noch Werte dazwischen. Wenn man es also schaffen würde, auch die Zustände dazwischen für einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, könnte das den Quantencomputer einerseits noch effizienter machen und andererseits wäre er möglicherweise resistenter gegenüber Materialdefekten. Bislang galt das immer als besonders schwierig, da die Qubits ungefähr 100-mal sensibler auf Materialdefekte reagieren.

Supraleitende Qubits für Quantencomputer

Die Herausforderung für die Forschenden bestand darin, Qubits zu schaffen, die einerseits klein genug sind und sich andererseits schnell genug abschalten lassen. Ziel ist und bleibt es, Quantenkalkulationen damit auszuführen. Als vielversprechende Lösung sehen die Forschenden hier supraleitende Schaltungen. Der Vorteil von Supraleitern: Das Material weist auch bei extrem niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand auf und leitet deshalb den elektrischen Strom ohne Verluste. Genau das ist entscheidend, will man den Quantenzustand der Qubits erhalten und sie zugleich effizient miteinander verbinden.

Einer Forschergruppe des KIT ist es nun gelungen, supraleitende Qubits zu entwickeln. Ihr Herzstück ist ein sogenannter Josephson-Kontakt. Er kann Quanteninformationen speichern. An dieser Stelle haben die Forschenden die entscheidende Veränderung vorgenommen. Normalerweise trennt man zwei Aluminiumschichten durch eine dünne Oxid-Barriere. Dadurch lassen sich diese Josephson-Kontakte für die supraleitenden Quantenbits herstellen. „Im Gegensatz dazu verwenden wir für unsere Qubits nur eine einzelne Schicht aus ‚granularem Aluminium‘, einem Supraleiter aus wenigen Nanometer großen Aluminiumkörnern, die in einer Oxid-Matrix eingebettet sind“, erläutert Ioan M. Pop vom Institut für QuantenMaterialien und Technologien des KIT (IQMT).

Neu entwickelte Qubits sind Weiterentwicklung für Quantencomputer

Indem die Forschenden auf ein anderes Material setzten, entstand automatisch ein dreidimensionales Netzwerk aus Josephson-Kontakten. „Spannenderweise werden die gesamten Eigenschaften unserer Qubits durch eine winzige Engstelle von nur 20 Nanometern dominiert. Dadurch wirkt es wie eine Lupe für mikroskopische Materialdefekte in supraleitenden Qubits und bietet eine vielversprechende Perspektive für deren Verbesserung“, sagt Simon Günzler vom IQMT.

Das Team hat sich bei der Entwicklung an einem Ansatz orientiert, der bereits zuvor erprobt worden ist. Dabei wurden sogenannte Fluxonium-Qubits entwickelt. Diese Vorgängerversion bestand zum Teil aus granularem Aluminium und zum Teil aus konventionellem Aluminium. Das Team vom KIT entwickelte diesen Standard weiter, indem es die kompletten Qubits eben aus nur granularem Aluminium herstellten. Die Forschenden selbst verglichen ihre Arbeit so: Es sei so, als wenn man einen Quantenschaltkreis einfach aus einem Metallfilm herausschneiden würde. Durch diese Idee ergäben sich völlig neue Möglichkeiten – einerseits für die industrielle Herstellung mittels eines Ätzverfahrens, und andererseits seien mehr Einsatzbereiche für die Qubits denkbar. Zum Beispiel könnte man sie auch in starken Magnetfeldern verwenden. Die Forschergruppe hat sich ihre Erfindung bereits durch ein europäisches Patent schützen lassen.

Quantencomputer: Rechner der Zukunft

Der Quantencomputer hat seinen Namen übrigens durch die Einheit erhalten: Quanten beschreiben in der Physik den kleinstmöglichen Wert einer physikalischen Größe. Das ist vergleichbar mit den Pixeln bei einem digitalen Bild. Das Potenzial von Quantencomputern wird von Wissenschaft und Industrie als extrem groß eingeschätzt. Sie können besonders komplexe Aufgaben außerordentlich schnell und effizient lösen. Genau das soll in Zukunft noch weiter ausgebaut werden. Aktuell sind Quantencomputer Millionen Mal schneller als ein herkömmlicher PC. Dieser Unterschied könnte sich in Zukunft weiter vergrößern.

Mehr zum Thema Supercomputer:

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.